第三章 实验4 验证牛顿运动定律-2023高考物理【直击双1流】一轮复习讲义

实验 4　 验证牛顿运动定律 一、实验原理 本实验中,探究加速度 a与力 F、质量M的关系,可以先保持 F 不变,研究 a 与 M 的关系,再保持 M 不变,研究 a 与 F 的关系. 二、实验器材 打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木 板、托盘、重物、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一 套砝码)、刻度尺等. 三、实验步骤 1. 用天平测出小车的质量M和托盘的质量m0 ,把数值记录 下来. 2. 把实验器材安装好. 3. 平衡摩擦力:在长木板不带滑轮的一端下面垫一块薄木 板,反复移动其位置,直至不挂托盘和重物时小车刚好能在长 木板上保持匀速直线运动为止. 4. 测量托盘和重物的总质量 m,将托盘和重物通过细绳系 在小车上,接通电源,放开小车,使小车托着纸带运动,用纸带 记录小车的运动情况,取下纸带,并在纸带上标上号码. 5. 保持小车的质量不变,改变托盘中重物的质量,重复步 骤 4,每次记录必须在相应的纸带上做上标记,将记录的数据填 写在表格内. 6. 用刻度尺测出纸带上的位移并计算出加速度,建立坐标 系,用纵坐标表示加速度 a,横坐标表示力 F,在坐标系中描点, 画出相应的图线,探究 a 与 F 的关系. 7. 保持托盘和重物的质量不变,改变小车的质量(在小车 上增、减重物),探究 a 与 M 的关系. 四、注意事项 1. 实验方法:本实验利用托盘及托盘中重物通过细绳牵引 小车做加速运动的方法研究加速度 a与力 F、质量M的关系. 实 验时采用控制变量法,共分两步研究:第一步,保持小车的质量 不变,改变m的大小,测出相应的 a,验证 a与F的关系;第二步, 保持 m 不变,改变 M 的大小,测出小车运动的加速度 a,验证 a 与 M 的关系. 实验应测量的物理量有: ① 小车及车上重物的总质量 M,用天平测出. ② 小车受到的拉力 F.拉力近似等于托盘和重物的总重力mg. ③ 小车的加速度 a. 通过打点计时器打出的纸带,由 a = a1 + a2 + a3 3 = x6 + x5 + x4 - x3 - x2 - x1 9T 2 计算出. 2. 平衡摩擦力:在平衡摩擦力时,不要悬挂托盘,但小车应 连着纸带且接通电源. 用手给小车一个初速度,如果纸带上打 出的点的间隔是均匀的,表明小车受到的阻力跟它的重力沿长 木板向下的分力平衡. 3. 不重复平衡摩擦力:平衡了摩擦力后,不管以后是改变 托盘和重物的总质量还是改变小车和重物的总质量,都不需要 重新平衡摩擦力. 4. 实验条件:M ≫ m. 只有如此,托盘和重物的总重力才可 视为小车受到的拉力. 5. 一先一后一按住:改变拉力和小车的质量后,每次开始 时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,后放开小车, 且应在小车到达滑轮前按住小车. 6. 安装器材时,要调整滑轮的高度,使拴小车的细绳与木 板平行,且连接托盘和重物应在平衡摩擦力之后. 改变小车的 质量或拉力的大小时,改变量应尽可能大一些,但应满足托盘 和重物的总质量远小于小车和车上重物的总质量. 托盘和重物 的总质量不超过小车和车上重物总质量的 10%. 五、误差分析 1. 因实验原理不完善引起误差. 以小车、托盘和重物整体 为研究对象得 mg = (M + m)a,以小车为研究对象得 F = Ma, 求得 F = M M + m ·mg = 1 1 + m M ·mg < mg. 本实验用托盘和重 物的总重力 mg 代替小车所受的拉力,而实际上小车所受的拉 力要小于托盘和重物的总重力. 当托盘和重物的总质量远小于 小车的质量时,由此引起的误差就越小. 因此,满足托盘和重物 的总质量远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完 善而引起的误差. 2. 摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量 不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差. 例 1 (2020·浙江 7 月) 做“探究加速度与力、质量的关 系” 实验时,图甲是教材中的实验方案;图乙是拓展方案,其实 验操作步骤如下: ① 挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为 M 的小车 拖着纸带沿木板匀速下滑; ② 取下托盘和砝码,测出其总质量为 m,让小车沿木板下 滑,测出加速度 a; ③ 改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到 a 与 F 的关系. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋